天线信噪比和噪声系数概述

P = Gp P + P no ni ano
显然, 显然, no > Gp P ,故线性网络的噪声系数 NF总是大于 . P 总是大于1. ni 为了更清楚地了解网络产生的噪声, 为了更清楚地了解网络产生的噪声,对信噪比的影 响,噪声系数又可表示为
NF =
P + Gp P ano ni Gp P ni
NF (dB) 3dB. =
8.3.2
8.3.3 减小噪声系数的措施 根据上面讨论的结果, 根据上面讨论的结果,可提出如下减小噪 声系数的措施: 声系数的措施: 选用低噪声元, 一,选用低噪声元,器件 在放大或其它电路中, 在放大或其它电路中,电子器件的内部噪声起着重 要作用.因此, 要作用.因此,改进电子器件的噪声性能和选用低噪声 的电子器件,就能大大降低电路的噪声系数. 的电子器件,就能大大降低电路的噪声系数.
8.3.2
三,等效噪声温度Te 噪声温度的定义是: 噪声温度的定义是: 把网络的内部噪声折算到其输入端时, 把网络的内部噪声折算到其输入端时,使噪声源电 阻所升高的温度称为等效噪声温度Te . 由于噪声源在网络输出端的额定噪声功率为
P′GpH = kTo BGpH ni
内部噪声在网络输出端的额定功率为 GpH kTe B. 所以网络的噪声系数NF 可表示为 GpkTe B P′ Te ano NF =1+ =1+ =1+ P′GpH GpkTo B To ni 8.3.2
式中, ′ 是级联四端网络总输出的额定噪声功率. 式中, no 是级联四端网络总输出的额定噪声功率. P
GpH1i2 = GpH1GpH 2 是级联网络总的额定功率增益. no由三部 是级联网络总的额定功率增益. ′ P
P′ no
分组成: 分组成: ① 信号源内阻 Rs产生的噪声经过两级放大后在输出端 的噪声额定功率 GpH1GpH 2kTB ; ②第一级网络内部噪声P′ 1经第二级放大后在输出端 ano 的噪声额定功率GPH 2P′ 1 ; ano 8.3.2
8.3.2
设输入端的信号功率为 P ,由信号源内阻产生的 si 噪声功率为 P ,而网络的输出端负载上所得到的信号 ni 功率和噪声功率分别为 P , no,噪声系数定义为 so P
输 信 比 P P 入 噪 NF = = si ni 输 信 比 P P 出 噪 so no
或用dB表示为 或用 表示为
8.3.2
由以上公式可得出如下结论: 由以上公式可得出如下结论: 若各级噪声系数小而额定功率增益大, 若各级噪声系数小而额定功率增益大,级联电路的 的影响是不同的, 总噪声系数 NF 小.但是各级噪声对 NF 的影响是不同的, 越是靠近前面几级的噪声系数和额定功率增益对总的噪 声系数影响越大.因此级联电路中最主要的是前面的第 声系数影响越大. 一,二级,最关键的是由第一级放大器的噪声系数 NF1 二级, 和额定功率增益 GpH1所决定. 所决定.
Vs2 因而额定输入信号功率为 P′ = si 4Rs
额定输入噪声功率 P′ = ni
4kTRs B = = kTB 4Rs 4Rs
2 υn
8.3.2
由上两式知,不管信号源内阻如何, 由上两式知,不管信号源内阻如何,它产生的额定 噪声功率是相同的,其大小只与电阻所处的环境温度 和 噪声功率是相同的,其大小只与电阻所处的环境温度T和 系统带宽B有关. 系统带宽B有关. 带宽 的增加而减小, 而信号源额定功率却随着内阻 Rs 的增加而减小,这也 是为什么接收机采用低内阻天线的原因. 是为什么接收机采用低内阻天线的原因. 放大器的额定功率增益是指放大器(或线性网络) 放大器的额定功率增益是指放大器(或线性网络) 的输入端和输出端分别匹配( 的输入端和输出端分别匹配( Ri = Rs, o = RL)时的功 R 率增益, 率增益,即
G NF1, F2, pH1 , pH 2 , 1, 2 ,并且 B = B2 = B . N G B B 1
根据定义, 根据定义,级联网络的总噪声系数 NF为 P′ P′ no no = NF1i2 = GpH1i2P′ GpH1i2kTni B ni 8.3.2
P′ no NF1i2 = = GpH1i2P′ GpH1i2k百度文库ni B ni
将额定输入噪声功率式代入可得 P′ P′ no ano NF = =1+ kTBGpH kTBGpH
8.3.2
二,多级放大电路的噪声 假如,有两个四端网络级联,如图 所示. 假如,有两个四端网络级联,如图8.3.3所示.它们 所示 的噪声系数,额定功率增益, 的噪声系数,额定功率增益,噪声带宽分别为
NF1i2i3为
NF1i2i3 = NF1i2 + NF3 1 N 1 N 1 = NF1 + F2 + F3 GpH1i2 GpH1 GpH1GpH2
同理, 级电路组成的网络, 同理,对n级电路组成的网络,总的噪声系数为 级电路组成的网络
NFn 1 NF 2 1 NF3 1 + ++ NF1i2n = NF1 + GpH1 GpH1GpH 2 GpH1GpH 2 GpHn
信噪比越大,信号质量越好. 信噪比越大,信号质量越好. 8.3
8.3.2 噪声系数
一,噪声系数 噪声系数定义: 噪声系数定义:线性四端网络输入端的信噪比与 输出端的信噪比之比值. 输出端的信噪比之比值. 是信号源内阻, 线件四端网络如图 8.3.1所示,图中Rs是信号源内阻, 8.3.1所示 所示, 是信号源电压, 的等效噪声源电压; υs是信号源电压, n是信号源内阻 Rs的等效噪声源电压; υ 是负载. RL 是负载.
NF =
P P P P P si ni = si no = no P P P P Gp P so no so ni ni
式中, ni 式中, p P 为信号源内阻 Rs产生的噪声经过线性网络后 G 在输出端产生的噪声功率; 在输出端产生的噪声功率; 8.3.2
而线性网络输出端的总噪声功率 P 应等于 Gp P no ni 和线性网络本身的噪声在输出端产生的噪声功率 P ano 之和, 之和,即
所以, 所以,等效噪声温度为
Te = (NF 1)To
T 式中, 是标准温度,在一般情况下, 式中, o 是标准温度,在一般情况下,可以认为 To 290K. = .
N , N 当 Te=0时(网络内部无噪声), F=l, F (dB) 0dB = 时 网络内部无噪声),
N 当 Te=290K.(内部噪声等于外部噪声)时, F=2, .(内部噪声等于外部噪声 .(内部噪声等于外部噪声) ,
NF 越大. 越大.
越大, (3)线性网络的功率增益 Gp 越大,噪声系数 )
NF 越小. 越小.
这说明为了降低网络的噪声系数应设法增大线性网 这说明为了降低网络的噪声系数应设法增大线性网 络的功率增益. 络的功率增益. 8.3.2
为了计算和测量的方便, 为了计算和测量的方便,噪声系数也可以用额定功 Power)和额定功率增益的关系来定义. 率(Rated Power)和额定功率增益的关系来定义. 所谓的额定功率是指信号源所能输出的最大功率. 所谓的额定功率是指信号源所能输出的最大功率. 额定功率是指信号源所能输出的最大功率 为了使信号源有最大输出功率,对于图 为了使信号源有最大输出功率,对于图8.3.2所示的 所示的 网络, 网络,必须使放大器的输入电阻 R与信号源内阻 Rs 相匹 i 配,也即应使 Ri = Rs.
图8.3.4 晶体管的 N F 与 I EQ 的关系曲线
RS 三,选择合适的信号源内阻
的大小. 信号源内阻 RS变化时,也影响 NF的大小.当 RS 变化时, 某一最佳值时, 可达到最小. 某一最佳值时, S可达到最小. R 四,选择合适的工作带宽 根据上面的讨论,噪声电压都与通带宽度有关. 根据上面的讨论,噪声电压都与通带宽度有关. 接收机或放大器的带宽增大时, 接收机或放大器的带宽增大时,接收机或放大器的各 种内部噪声也增大.因此, 种内部噪声也增大.因此,必须严格选择接收机或放 大器的带宽,使之既不过窄, 大器的带宽,使之既不过窄,以能满足信号通过时对 失真的要求,又不致过宽,以免信噪比下降. 失真的要求,又不致过宽,以免信噪比下降. 8.3.3
P P (NF )dB =10lg si ni P P so no
噪声系数通常只适用线性网络, 噪声系数通常只适用线性网络,因为非线性电路会产 生信号和噪声的频率变换, 生信号和噪声的频率变换,噪声系数不能反映系统的附 加噪声性能. 加噪声性能.
P Gp = o 若设线性网络的功率增益 P i
则噪声系数可以改写为
对晶体管而言, 对晶体管而言,应选用
( rb rbb′)和噪声系数 NF
小的管子(可由手册查得, 小的管子(可由手册查得,但 NF 必须是高频工作时 的数值).除采用晶体管外, 的数值).除采用晶体管外,目前还广泛采用场效应管 ).除采用晶体管外 做放大器和混频器,因为场效应管的噪声电平低, 做放大器和混频器,因为场效应管的噪声电平低,尤其 是最近发展起来的砷化镓金属半导体场效应管 (MESFET),它的噪声系数可低到0.5～ldB. MESFET),它的噪声系数可低到0.5～ldB. ),它的噪声系数可低到0.5 在电路中, 在电路中,还必须谨慎地选用其他能引起噪声的电 路元件,其中最主要的是电阻元件. 路元件,其中最主要的是电阻元件.宜选用结构精细的 金属膜电阻. 金属膜电阻. 8.3.3
GpH
P′ = so P′ si
线性网络输出端的总噪声额定功率 P′ 同样应等于 GpH P′ ni no 和线性网络本身的噪声在输出端产生的额定噪声功率 P′ ano 之和, 之和,即 P′ = GpH P′ + P′ ,所以噪声系数可以表示为 no ni ano
P′ si NF = P′ so P′ ni P′ no GpH P′ + P′ P′ P′ ni ano no = = =1+ ano P′GpH P′GpH P′GpH ni ni ni
P =1+ ano Gp P ni
由上式可以得出下述结论: 由上式可以得出下述结论: (1)当线性网络本身不产生噪声,即 P = 0时, )当线性网络本身不产生噪声, ano
NF =1,故为无噪声的理性网络. 故为无噪声的理性网络.
越大, (2)线性网络本身产生的噪声 P 越大,噪声系数 ) ano
P′ no NF1i2 = = GpH1i2P′ GpH1i2kTni B ni
③第二级网络的内部噪声输出端的噪声额定功率 P′ 2 ano 故 P′ 可表示为 P′ = GpH1GpH 2kTB + GpH 2P′ 1 + P′ 2 no ano ano no
P′ P′ no ano =1+ 可求得第一级, 由式 NF = 可求得第一级,第二级 kTBGpH kTBGpH
8.3
8.3.1 信噪比
信噪比和噪声系数
信噪比:衡量一个信号质量优劣的指标. 信噪比:衡量一个信号质量优劣的指标.它是在指定 的比值, 频带内, 频带内,同一端口信号功率 P 和噪声功率 P的比值,即 s n
P S/N = s P n
当用分贝表示信噪比时, 当用分贝表示信噪比时,有
P S / N(dB) =10lg s P n
P′ no
和 ano 网络的内部噪声 P′ 1 P′ 2 为 ano
P′ 1 = (NF1 1)GpH1kTB ano
P′ 2 = (NF 2 1)GpH 2kTB ano
8.3.2
所以 NF1i2 = NF1 +
NF2 1 对于三级电路组成的级联网络, 对于三级电路组成的级联网络, GpH1
可将前两级看做第一级,后面一级看做第二级, 可将前两级看做第一级,后面一级看做第二级,则可得到
二,正确选择晶体管放大级的静态工作点 可看出, 图8.3.4可看出,对于不同的信号源内阻RS ,最佳的 可看出
IEQ 值也不同. 值也不同.
当然, 当然, F N 还分别与晶体 管的VCBQ 和VCEQ 有关. 有关.但通常VCBQ 和 VCEQ对 NF的影响不大.电压低时, F 略有下降. 的影响不大.电压低时, 略有下降. N 8.3.3